前言

上桥臂电流检测通常采用支持扩展共模电压的专用器件,但是专用器件也有自身的限制,例如,当共模电压高于100V时,专用运放还能精确地测量电流吗?传统5V运放似乎完全不适用这种测量。但是,在增加几个外部器件后,我们将会发现,低压运放完全可以精确地测量上桥臂电流,而且没有任何共模电压限制。

电路示意图及原理简介

本文所讨论的应用设计是测量150V工业电机控制器的电流。如图1所示,为能够精确地测量很小的电流值,我们使用了一个分流器配合一个高精度5V运放。

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图1:典型应用

难道150V输入电压不会烧毁运放吗?如果V1电压是用于给第一级运放OP_A提供正电压(Vcc_H),就不会发生这种情况。

如果连接一个击穿电压为4.7V的齐纳二极管,则会为第一级运放OP_A生成负电压 (Vcc_L)。这样,OP_A的电源电压是4.7V,是Vcc_L=145.3V与 Vcc_H=150V的差值。

电阻Rz为齐纳二极管提供偏置电流(~5mA),并为运放的偏置电流提供回路(~40µA)。

Vsense是电流经过电阻Rsense时产生的电压,被电阻R1、R2、R3和R4放大。

P-MOSFET(BSP2220)输出高精度电流,与流经Rsense的电流成正比;该电流经过R4电阻时生成对地电压Vo,与上桥臂电流成正比。第一级的输出电压可由下面的方程式1得出:

Vo=(Vsense/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3) .....................(1)

第二级运放OP_B用于抑制Vo电压。在加装电阻R5后,当启动阶段有大电流经过输入引脚时,可以保护OP_B的内部ESD二极管。

电机控制电路消耗的最大电流是100A。因此,使用一个100µΩ分流器时,Vsense最大值为10mV。最大输出电压取决于Vsense电压和R4上的最终输出电流。因为由微控制器的ADC来处理,所以最大输出电压Vo必须高于3.3V。

为确保系统正常工作,必须仔细选择这些器件参数。为了使OP_A输出不饱和,在选择参数时必须保证|Vgs|电压值很小。

因为Ids保持低电流有助于实现这个目标,所以我们选择一个高电阻的R4。

为避免运放输出饱和,第一级运放OP_A的增益由R2/R1比确定,不应该过高。

在选择器件参数时,我们不得不折衷考虑,必须遵守方程式2:

|Vgs max⁡| < Vzener-(R3.(R1+R2))/(R4.(R1+R2+R3) ).Vo_max .....................(2)

• 其中,Vgmax是使电流Id_max=(Vo_max)/R4进入晶体管所需的Vgs电压,且Vzener=Vcc_H - Vcc_L

现在我们看一下这个系统的精度问题。导致放大器精度差的主要原因是电阻不匹配和失调电压。

误差分析

电阻不匹配对测量精度的影响

假设所用电阻完美匹配,通过方程式1可以得出输出电压。不幸地是,实际情况并不是这样,因为电阻本身也有自己的精度。

用下面的公式可以得出因电阻不匹配而造成的增益误差:

V0=((Isense*Rshunt)/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3).[1+((2R1+4R2+2R3)/(R1+R2+R3)). εα+ εRshunt] ......(3)

• 其中εα是电阻的精度,εRshunt是分流器的精度。

从方程式3不难看出,R2电阻对误差的影响最大,所以该电阻器必须选择阻值尽可能小(10kΩ)的电阻。注意,R1和R3的阻值之和应该高且均衡,只有这样才能取得理想增益,因为理论上R1阻值小能够抑制噪声。

Vio对精度的影响

输入失调电压是必须考虑另一个误差,在上面的应用中,我们选择了一个斩波放大器TSZ121,因为这款产品的Vio电压极低,在工作温度范围内仅8µV。特别是测量特别小的电流时,这个误差非常突出。

考虑到传递函数,Vio可以表示成:

Vout=((Vsense±Vio1)/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3)±Vio2 ..................... (4)

• 其中Vio1是第一级运放(OP_A)的输入失调电压,Vio2是第二级运放(OP1_ B)的输入失调电压。因为TSZ121的输入失调电压极低,所以Vio2可以忽略不计。

总误差

为了弄清输出总误差,我们必须把电阻不匹配和运放失调考虑进去。最终,输出电压可以表示为方程式5:

Vo=((Isense*Rshunt))/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3).[1+((2R1+4R2+2R3)/(R1+R2+R3)).εα+ εRshunt]±(Vio/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3) ..................... (5)

图2和图3表示在工作温度范围内可能出现的最大误差,考虑到了分流器的精度。

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图2:总误差,假设电阻精度为1%,Rshunt精度为 1%

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图3:总误差,假设电阻精度为1%,Rshunt精度为 1%

结论

专用放大器通常用于上桥臂电流检测,但是在共模电压高于70V的应用中,应该改用传统的5V运放。

上桥臂电流的检测可以使用高精度运放如TSZ121放大器,为了工作在5V电平转换电路内,需要一个齐纳二极管配合放大器。

我们考虑到了电阻和放大器引起的某些误差。为取得良好的电流测量精度,我们建议使用0.1%精度电阻。

(作者:Nicolas AUPETIT, 意法半导体公司)

《电子技术设计》2016年10月刊版权所有,谢绝转载。

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